Uma equipe de pesquisadores da IBM em associação com a UC Berkeley e a Purdue University conseguiram extrair computação quântica útil de um dos atuais computadores NISQ (Noisy Intermediate Scale Quantum). A equipe usou uma das mais recentes Unidades de Processamento Quântico (QPU) da IBM, Eagle, para realizar cálculos que esperava-se que falhasse no meio do ruído qubit. No entanto, usando um mecanismo de feedback inteligente entre o Eagle QPU de 127 qubits da IBM e supercomputadores com UC Berkeley e Purdue University, a IBM conseguiu provar poderia derivar resultados úteis de um QPU ruidoso. A porta para a utilidade quântica está aberta – e estamos muito mais cedo do que o esperado.
Nossos computadores quânticos da era NISQ estão ligados aos nossos supercomputadores padrão – as máquinas mais poderosas conhecidas pela humanidade, capazes de trilhões de operações por segundo. Por mais poderosos que sejam, é uma verdade universal que, quando dois assuntos são amarrados juntos, eles só se movem tão rápido quanto o mais lento deles permite. E o supercomputador já estava sobrecarregado para esse experimento, usando técnicas avançadas para acompanhar a complexidade da simulação.
Quando a simulação dos qubits se tornou muito complexa para o supercomputador simplesmente “forçar brutalmente” os resultados, os pesquisadores da UC Berkeley começaram a usar algoritmos de compressão – estados de rede tensor. Esses estados da rede tensorial (matrizes) são essencialmente cubos de dados, onde os números que compõem os cálculos são representados em um espaço tridimensional (x, y, z) capaz de lidar com relações e volumes de informações mais complexos do que uma solução 2D mais comum – pense em uma simples tabela 2D do Excel (x, y) e nas muitas outras linhas que você teria que pesquisar nessa configuração se tivesse que considerar outro plano de informação (z).
Isso significa que já existe alguma utilidade que pode ser extraída dos computadores quânticos NISQ – há questões em que eles podem produzir resultados que estariam além do alcance – pelo menos em termos de tempo e dinheiro – para supercomputadores padrão, ou onde os aros necessários para obter esses resultados tornaria o esforço maior que o ganho.
Agora há um vai e vem acontecendo entre as soluções dadas por nossos computadores quânticos da era NISQ que apresentam algumas centenas de qubits (na melhor das hipóteses) e nossos supercomputadores padrão que apresentam trilhões de transistores. À medida que o número de qubits úteis disponíveis aumenta, os circuitos com profundidades mais profundas 60 usados no artigo serão explorados. À medida que o número e a qualidade dos qubits aumentam, os supercomputadores padrão também terão que acompanhar, analisando os números e verificando uma fila tão profunda quanto possível de resultados da computação quântica.
“Aponta imediatamente a necessidade de novos métodos clássicos,” disse Anand. E eles já estão analisando esses métodos. “Agora, estamos perguntando se podemos pegar o mesmo conceito de mitigação de erro e aplicá-lo a simulações clássicas de rede tensorial para ver se podemos obter melhores resultados clássicos.”
Essencialmente, quanto mais precisamente você puder prever como o ruído evolui em seu sistema quântico, melhor você saberá como esse ruído envenena os resultados corretos. A maneira como você aprende a prever algo é simplesmente cutucá-lo e observar o que acontece o suficiente para identificar as alavancas que o fazem funcionar.
Algumas dessas alavancas têm a ver com como e quando você ativa seus qubits (alguns circuitos usam mais qubits, outros exigem que esses qubits sejam organizados em portas mais ou menos quânticas, com emaranhados mais complexos entre certos qubits…) Os pesquisadores da IBM tiveram que aprender precisamente quanto e qual ruído resultou da movimentação de cada um desses botões dentro de seu Quantum Eagle de 127 qubits – porque se você souber como introduzir ruído, começará a controlá-lo. Se você entender como ele aparece em primeiro lugar, poderá explicá-lo, o que, por sua vez, permite que você tente evitar ou tirar proveito disso.
Mas se você está apenas executando cálculos em seu computador barulhento, como pode saber se esses cálculos estão corretos? É aí que entram os supercomputadores padrão – e a busca por uma verdade absoluta.
A equipe da IBM teve acesso a dois supercomputadores – o Berkeley National Lab’s National Energy Research Scientific Computing Center (NERSC) e o supercomputador Anvil financiado pela NSF na Purdue University. Esses supercomputadores calculariam as mesmas simulações quânticas que a IBM executou em seu Eagle QPU de 127 qubits – divididos conforme necessário dentro deles e de maneiras que permitiriam a comparação de ambos os resultados dos supercomputadores. Agora, você tem uma verdade fundamental – a solução que você sabe ser correta, alcançada e verificada por supercomputadores padrão. Agora a luz está verde para comparar seus resultados ruidosos com os corretos.
“A IBM perguntou ao nosso grupo se teríamos interesse em assumir o projeto, sabendo que nosso grupo era especializado nas ferramentas computacionais necessárias para esse tipo de experimento”, disse. pesquisador de pós-graduação Sajant Anand com UC Berkeley disse. “A princípio achei o projeto interessante, mas não esperava que os resultados fossem os mesmos.”
Então é “apenas” uma questão de resolver um quebra-cabeça “encontre as diferenças”: uma vez que você percebe como exatamente a presença de ruído distorceu os resultados, você pode compensar sua presença e coletar a mesma “verdade básica” que estava presente no resultados de supercomputadores padrão. A IBM chama essa técnica de Extrapolação de Ruído Zero (ZNE).
É um processo simbiótico: a equipe da IBM responsável pelo artigo também busca trazer suas técnicas de mitigação de erros – e equivalentes à Extrapolação de Ruído Zero – para supercomputadores padrão. Entre o aumento de potência bruta dos desenvolvimentos de hardware mais recentes e otimizações de algoritmos e técnicas (como o uso de algoritmos de compressão inteligentes), a potência bruta de supercomputação crescerá, permitindo-nos verificar nosso trabalho de computação quântica um pouco mais adiante na era da pós-computação. – Computadores quânticos NISQ e sua implantação de correção de erros quânticos.
É nesse momento que a corda se rompe, e o quantum estará relativamente livre da necessidade de verificar seus resultados com técnicas clássicas. É isso que está desacelerando a computação quântica (além da ausência de correção de erros que permitirá que os qubits realizem os cálculos sozinhos, é claro).
Em uma entrevista com a Tom’s Hardware para este artigo, o Dr. Abhinav Kandala, gerente da Quantum Capabilities and Demonstrations da IBM Quantum, disse lindamente:
Exceto com o quantum, você pode aumentar a complexidade do problema além do que os supercomputadores podem lidar – e porque você modelou corretamente como o ruído afeta o sistema, você ainda pode executar as etapas de limpeza em seus resultados ruidosos… com algum grau de confiança. Quanto mais longe você estiver dos resultados “conclusivamente verdadeiros” fornecidos pelos supercomputadores padrão, maior a probabilidade de introduzir erros fatais nos cálculos que não foram (e não poderiam ser) contabilizados em seu modelo de ruído.
Mas, embora você possa confiar em seus resultados, você realmente forneceu recursos de processamento quântico que são úteis e além do que pode ser alcançado com máquinas de Turing clássicas de geração atual, como o supercomputador em Berkeley. Também está além do que se pensava ser possível em nossos computadores da era NISQ (Noisy Intermediate Stage Quantum). E acontece que muitos algoritmos projetados para dispositivos quânticos de curto prazo seriam capazes de caber nos 127 qubits do Eagle QPU da IBM, que pode fornecer profundidades de circuito superiores a 60 etapas “no valor” de portas quânticas.
dr. Kandala então adicionou: “O que estamos fazendo com a mitigação de erros que está executando circuitos quânticos de profundidade curta e medindo o que são chamados de valores esperados, medindo as propriedades do estado, esta não é a única coisa que as pessoas querem fazer com os computadores quânticos. potencial, é preciso correção de erros quânticos e o sentimento predominante era que, para qualquer coisa útil a ser feita, só se pode acessar isso depois de ter um computador quântico corrigido
“A parte crítica foi a capacidade de manipular o ruído além do alongamento do pulso”, Disse o Dr. Para instalar Kandala. “Uma vez que isso começou a funcionar, poderíamos fazer extrapolações mais complicadas que poderiam suprimir o viés do ruído de uma forma que não podíamos fazer anteriormente.”
É provável que o ZNE se torne um elemento básico de qualquer abordagem de computação quântica – a mitigação de erros é um requisito essencial para os computadores NISQ propensos a erros que temos atualmente e provavelmente será necessário mesmo quando chegarmos à porta da correção de erros – uma abordagem que vê certos qubits encarregados de funções relacionadas à correção de erros nos cálculos de outros qubits.
O trabalho feito pela IBM aqui já teve impacto no roteiro da empresa – o ZNE tem aquela qualidade atraente de fazer melhores qubits daqueles que já podemos controlar dentro de uma Unidade de Processamento Quântico (QPU). É quase como se tivéssemos um aumento de megahertz – mais desempenho (menos ruído) sem nenhuma lógica adicional. Podemos ter certeza de que essas lições estão sendo consideradas e implementadas sempre que possível no caminho para um “milhão + qubits”.
Também é difícil ignorar como este trabalho mostra que não há realmente uma corrida entre o quântico e o clássico: o futuro é de fato o Fusion, para brincar um pouco com a antiga moto da AMD. Esse Fusion verá elementos de computação específicos atendendo a necessidades específicas de processamento. Cada problema, por mais complexo que seja, tem sua ferramenta, do clássico ao quântico; e a engenhosidade humana exige que sejamos excelentes no uso de todos os nossos.
Essa corda proverbial entre supercomputadores padrão e computadores quânticos só se estende até certo ponto – mas a IBM está encontrando maneiras cada vez mais inteligentes de estender seu comprimento. Graças a essa pesquisa, os computadores quânticos já estão começando a enxergar um pouco mais à frente. Talvez o Dr. Kandala consiga ver o que ele espera mais cedo do que ele espera: o playground para a utilidade quântica está agora aberto antes do previsto. Vamos ver o que os humanos podem fazer dentro dele, certo?